SPring‑8 軟Ｘ線自由電子レーザー計画に用いるCeB6電子銃の開発
渡川和晃1,A)、馬場A)

斉A)、尾上和之A)、新竹積A)、石塚徹B)

理化学研究所･播磨研究所（SPring-8/RIKEN）〒679-5148 兵庫県佐用郡三日月町光都1-1-1
B)

住友重機械工業株式会社・新居浜製造所〒792-8588 愛媛県新居浜市惣開町5-2

概要
SPring-8では、将来のX線FEL利用施設の実現を目
指 し て 、 軟 Ｘ 線 自 由 電 子 レ ー ザ ー 計 画 （ SCSS計画）を進めている。本計画では、FELに不可欠である安定した低エミッタンス電子ビームを供給する為に、単結晶の熱カソードを用いた高電圧パルス電子銃の開発を行っている。カソード材料は、電子顕微鏡に広く使われている単結晶六ホウ化セリウム（CeB6）を使用する。電子銃の印加電圧は、空間電荷によるエミッタンス増大を低減する為に、-500kV（パルス）を目標としている。本稿において、低エミッタンス電子銃の開発の現状を報告する。

476 MHzプレバンチャーによって速度変調を行いバンチを集群し、続くエネルギーフィルターでエネルギーのテイル成分を取り除く。最後に、476 MHz
ブースターキャビティーとLバンド前段加速器で20MeVまで加速し、Cバンド主加速器に入射する。図１にSCSS電子入射器のシステム図を示す。
Beam Energy
Peak Current
Pulse Width
Repetition Rate
Normalized RMS Emittance

500 keV
3A
2 µs FWHM
60 Hz
0.4 π.mm.mrad

表１：電子銃出口におけるビームパラメーター。

１．SCSS電子入射器
SCSS計画[1]では、低エミッタンス電子銃として「単結晶の熱カソードを用いた高電圧パルス電子銃」を採用した。これは、各国が勢力的に開発を行っているフォトカソード型RF電子銃とは異なった方式である。自己増幅型自由電子レーザー（SASE-FEL）の理論から、FELゲインを上げて出力を飽和領域まで到達させるためには、電子ビームが極めて小さいエミッタンスを持つことが要求される。一方、ユーザーがFEL光の利用実験を行うには、ジッターの小さいFEL光を長時間安定して供給する
図１：SCSS電子入射器。
必要があり、そのためには最上流部の電子銃が安定していなくてはならない。これらの条件を両立する
２．CeB6カソード開発ことが電子銃開発の最優先課題である。
単結晶のCeB6 カソードは、高温動作中にカソー熱カソードから引き出した直後のビームエミッタド材料自身が蒸発することで、清浄で極めてフラッンス（規格化、RMS）は次式で表される。
トな表面が維持されると言われており、低エミッタ
rkT
ンス電子銃に非常に適していると考えられる[2]。直ε n, RMS = c
2m0 c 2
径3 mmのCeB6カソードからピーク電流3 A、半値幅2 µsecのビームを引き出す計画である。
ここで、rc はカソード半径、Tはカソード温度であ
電子銃の印加電圧は、-500 kVと非常に高い値をる。低エミッタンスを得るためには小さいカソード目標値に設定した。電子のエネルギーが低いと、プが必要であることは上式から明らかであり、このこレバンチャーにおいてビームを集群するときに、空とからカソードの直径を3 mmとした。その代償と間電荷によってエミッタンスを悪化させてしまうかして熱電子放出の電流密度が大きくなるが、仕事関らである。電子銃出口におけるビームパラメーター
数が比較的小さいCeB6結晶では、理想的には1450℃を表１にまとめる。
においてピーク電流3 Aが得られることになる。こ
電子銃を出たパルスビームの先頭と後尾の成分を、 の場合、エミッタンスは0.4 π.mm.mradとなり、アンその直後に置かれたビームチョッパーを用いて切りジュレーター領域においてFEL発振を飽和させるの取ることで、2 nsec幅の短バンチを形成する。次に、 に要求される2 π.mm.mradより十分小さい値である。
1E-mail: togawa@spring8.or.jp

図２にCeB6カソードアッセンブリー及びヒーター間プロットを図３に示す。ビーム軌道が大きく発散
加熱試験の様子を示す。CeB6結晶は直径6 mmのグせず、また、位相空間プロットの傾きが直線に乗っラファイト製スリーブに挿入している。こうするこていることがわかる。粗いメッシュサイズによる計とでカソード表面全域に渡って均一な電界が得られ、 算では、位相空間プロットが湾曲してエミッタンスビームハローとなるカソードエッジからの電子放出が大きく見えるのは物理的要因からではなく、計算を防ぐことができると期待される[3]。これは、ビーエラーであると考えられる。エミッタンスの計算値
ムハローの衝突によるアンジュレーター磁石の減磁はメッシュサイズを細かくすることにより小さくなを防ぐために重要な対策である。
り、メッシュサイズ0.05 mmにて0.1 π.mm.mrad（規CeB6カソードはグラファイトヒーターからの輻射格化、RMS）に収束した。この値はカソードにおけ熱で加熱する。グラファイトは融点が3000℃を超える熱エミッタンスに比べて十分小さい値であり、電る焼結材料であるが、タングステンフィラメントの子銃領域における空間電荷によるエミッタンス悪化ように再結晶化してヒーター特性が劣化することがない。また、高温において機械的にも安定している。 は無視できるレベルであることが分かった。
さらに、電気抵抗が温度によって大きく変化しない
図４に、平板型電極を備えたカソードステムと高ため、ヒーターパワーがコントロールしやすい利点
電圧セラミックブッシングの写真を示す。
がある。この手法によりCeB6カソードを400 Wにて、1450℃まで加熱することに成功した。現在、輻射熱がカソード周辺に与える熱負荷を低減すべく、ヒーターの投入電力が小さいカソードアッセンブリーを開発中である。

図２：CeB6カソードアッセンブリー（左）及びグラファイトヒーターの加熱試験（右）。

３．電子銃加速電極のデザイン
SCSS電子銃では、加速電極の形状を一般的なピアス型とせず、単純な平板型とした。理由は以下の通りである。（１）ピアス型電極は横方向の空間電荷力を打ち消すように、ウェネルトに傾斜角を設けてカソード表面近傍に集束電場を作る。しかし、カ
図３：平板型電極のEGUNシミュレーション。ビーム軌
ソードの取付誤差や熱歪による位置の変化によって、道（上）及び位相空間プロット（下）。
カソード中心がビーム軸からずれた場合、集束電場70 mmがビームに対して軸対称に作用しなくなり、場合によってはエミッタンス増大に繋がる恐れがある。加速電圧500 kVでは空間電荷効果が小さいので特に集束電場を設ける必要がないと考えた。（２）加速器システムの調整行うためには、ビーム電流を広い範囲に渡って変化させる必要性が出てくることが予想される。カソードは温度制限領域において動作させる予定であるが、ピアス型電極から小電流のビームを発生する場合、ビームが過集束してしまうため、ビーム軌道の調整が困難になることが予想される。
図４：平板型電極を備えたカソードステム（左）及び平板型電極では過集束することはない。
高電圧セラミックブッシング（右）。カソードステム先平板型電極の妥当性を確認するために、EGUN端の中心穴にCeB6カソードが位置する。
コードを用いたコンピューターシミュレーションを行った。温度制限領域におけるビーム軌道と位相空４．500KV電子銃テストスタンドを予定している。

電子銃単体の性能を評価するために、図５に示すテストスタンドを製作し、その性能試験を開始した。
テストスタンドは500 kV電子銃システムとビームエミッタンス評価装置によって構成される。
500 kVの印加電圧を達成するために、電子銃パルスタンクは大きさに余裕を持たせ、全ての高電圧部品（高圧ケーブル端子、パルストランス、ダミーロード、電圧モニター、セラミックブッシング、等）を絶縁オイルの中に納めて真空脱気が行える構造とした。パルス電源はCバンドクライストロン用に開発された密閉型変調器電源を使用する[4]。変調器電源において発生した-24 kVパルスを高圧ケーブルでパルスタンク内に導き、巻線比1：21のパルス
図６：電子銃パルスタンクで発生したパルス電圧波形。
トランスによって-500 kVに昇圧する。電子銃のインピーダンスを変調器電源のPFN回路のインピーダンス（~4 Ω）に整合させるために、抵抗値1.9 kΩの参考文献
ダミーロードをカソードと並列に接続した。図６に[1] http://www-xfel.spring8.or.jp/
分圧型電圧モニターによって測定したパルス電圧波
新竹 積,「SCSS軟X線FEL計画の技術開発現形を示す。カソードと高電圧ブッシングは取り付け状」,
本研究会ていないが、その背後の高電圧機器により-500kVパ[2]
FEI
Company,
http://www.feibeamtech.com/
ルスが発生できることを確認した。
[3]
H.
Kobayashi,
et al, 「Emittance Measurement for
ビームエミッタンスはダブルスリット法により測High-Brightness
Electron Guns 」 , LINAC92定する。中心位置と開口幅が可変であるモリブデン
Proceedings
製スリットを垂直方向と水平方向にぞれぞれ２台ず[4] 稲垣隆宏,「C-bandクライストロン用コンパクトつビームラインに設置した。本年度の夏に500 keV
密閉型変調器電源の大電力試験」, 本研究会
電子ビームの引き出し試験とエミッタンス測定実験

図５：500kV電子銃テストスタンド。